冷干機(jī)中預(yù)冷器熱交換過程分析

在壓縮空氣冷凍式干燥機(jī)中 ,  為了充分利用能量(冷量) 及避免排氣管外壁低溫掛露 , 在蒸發(fā)器前都設(shè)置有一只通稱為“預(yù)冷器”的空氣 —空氣熱交換器。預(yù)冷器對冷干機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起著重要作用 , 有必要對它的工作過程做一分析。

（圖1  順叉流換熱的預(yù)冷器）

圖 1 所示的冷干機(jī)換熱器總成中 (圖中省略水氣分離器) , 初始溫度為 t′1 的濕熱壓縮空氣( 熱流體)進(jìn)入預(yù)冷器殼程與管程中初始溫度為 t′2 的干燥低溫空氣 (冷流體) 進(jìn)行熱交換。通過間壁對流換熱, 在進(jìn)入蒸發(fā)器前熱流體溫度下降到 t″1, 冷流體則在進(jìn)入排氣管前溫度上升到 t″2。為防止出現(xiàn)氣流死角, 殼程中設(shè)置有多片導(dǎo)流折板, 使冷、熱流體呈順叉流換熱。預(yù)冷器中冷、熱流體溫度沿?fù)Q熱面積按雙曲函數(shù)變化,見圖 2 

（圖2）

冷干機(jī)預(yù)冷器與工業(yè)上常見的同類換熱器相比有如下特點:( 1 ) 預(yù)冷器的工作溫度與周圍環(huán)境溫度十分接近近, 冷、熱流體的最大溫差一般不超過 40 ℃, 在此溫度下即使換熱器殼體外壁不覆蓋絕熱材料, 它與周圍環(huán)境的熱交換(輻射換熱) 也可忽略不計。冷、熱流體在預(yù)冷器中基本上作純對流換熱, 兩者之間吸、放熱平衡, 熱流體放出的總熱量全部被冷流體所吸收, 因而熱流體的焓值變化 h′1 - h″1與冷流體的焓值變化 h″2 - h′2相等, 即 h′1 - h″1 = h″2 - h′2。

( 2) 參與熱交換的冷、熱流體都是確定溫度下的濕飽和壓縮空氣。由于是飽和的, 在換熱過程中熱流體中的飽和水蒸氣隨溫度下降有連續(xù)不斷的凝結(jié)水析出, 即有相變現(xiàn)象發(fā)生 ———這需要一定量的“相變潛熱”來支持; 而在 t′2 溫度下, 雖呈飽和狀態(tài)但絕對含水量很少的冷流體在換熱過程中, 只表現(xiàn)為溫度的單純升高。這就是說, 冷、熱流體溫度作同樣變化, 有相變發(fā)生的熱流體的熱量消耗要大于冷流體“。傳熱學(xué)”中將在一定時間內(nèi)單位質(zhì)量流體溫度變化 1 ℃所消耗的熱量定義為該流體的“水當(dāng)量”,因此在冷干機(jī)預(yù)冷器中, 熱流體的“水當(dāng)量”要大于冷流體。

(3) 參與換熱的冷、熱流體是溫度相差不大(通常 tmax ≯40 ℃) 的氣體介質(zhì) , 在溫度變化范圍內(nèi) , 除飽和水蒸氣含量及“水當(dāng)量”外 , 其余如壓力、定壓比熱、導(dǎo)熱系數(shù)等熱力學(xué)參數(shù)及冷、熱流體的質(zhì)量流量兩者完全相等。根據(jù)傳熱學(xué)原理 , 同質(zhì)氣體間壁對流換熱時傳熱系數(shù)很小 (約在 10～100 kcal/ (m2·K) 3 之間) , 在此情況下 , 即使在技術(shù)上采用肋片管、翅片管等強(qiáng)化措施來增大單邊傳熱面積也不能使換熱量明顯提高 , 所以冷干機(jī)預(yù)冷器中的換熱銅管多采用內(nèi)外表面積基本相等的光管或波紋管。

根據(jù)以上特點 ,  對冷干機(jī)預(yù)冷器的換熱過程作如下分析:

由于在換熱過程中熱流體組份之一的水蒸氣要發(fā)生相變 ,  它的熱量變化由下式確定

由于 (1) 、(2)  式中代表水蒸氣焓值變化項的數(shù)值不到總數(shù)的 1 % , 為簡化計算將其略去 , 并將相關(guān)數(shù)字代入 , 則上兩式可改寫為

不等式 (6)  左邊是預(yù)冷器中冷流體的溫升幅度 ,右邊是熱流體的降溫幅度 , 表明在預(yù)冷器中 , 由于冷、熱流體的“水當(dāng)量”不同 , 在交換相等的熱量時冷流體的升溫幅度要大于熱流體的降溫幅度。

舉例:  絕對壓力為 018 M Pa 的壓縮空氣在始溫

t′1= 40 ℃時 ,對應(yīng)的飽和水蒸氣含量 d′1 = 0  00573kg/ kg(干) ,  經(jīng)過預(yù)冷器熱交換后 , 溫度降至 t 1  =1

30 ℃, 對應(yīng)的飽和水蒸氣含量降至 d″1= 0 00338 kg/ kg (干) 。將上述數(shù)據(jù)代入 (3) 式 , 可算出熱流體焓的變化 h′1- h″1= 16 30 kJ / kg (干) 。由于是純對流熱交換 ,  冷流體焓的變化應(yīng)與此相等 ,  即 h″2-  h′2=1

16 30 kJ / kg (干) 。代入 ( 4) 式得到冷流體的溫升幅度達(dá) 16 ℃, 若冷流體始溫 t′2 = 3 ℃, 換熱后終溫將上升到 t″2= 19 ℃ (計算過程略) 。上述計算表明熱流體降溫 10 ℃所釋放出的冷量足以使同質(zhì)量的冷流體溫度升高 16 ℃。

在冷干機(jī)熱負(fù)荷計算時 , 除了技術(shù)指標(biāo)規(guī)定的進(jìn)氣溫度 t′1 以及和露點相關(guān)的空氣冷卻溫度 t′2 外 ,預(yù)冷器中熱、冷流體的終溫都是未知值 ,  一般要先設(shè)定一個 , 再計算出另一個進(jìn)行綜合比較。合理選取蒸發(fā)器的進(jìn)氣溫度 ( t″1) 非常重要 , 它直接關(guān)系到制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器的熱負(fù)荷計算。事實上蒸發(fā)器進(jìn)氣溫度t″1選定后 , 冷干機(jī)的其它重要參數(shù)也基本確定了。

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表 1 列出絕對壓力為 0 8 M Pa 的壓縮空氣在進(jìn)氣溫度 t′1= 40 ℃, 經(jīng)蒸發(fā)器冷卻后的冷流體溫度 t′2= 3 ℃時 , 對應(yīng)于不同的 t″1 取值 , 冷干機(jī)排氣溫度t″2的計算值 , 以及在此條件下為處理 1 Nm3 / min 壓縮空氣 ,  蒸發(fā)器熱負(fù)荷 Q 1 、預(yù)冷器熱負(fù)荷 Q 2  的計算值 (計算過程略) 。

Q 2   (在數(shù)值上與熱流體降溫所需的冷量、或冷流體升溫所需的熱量相等)  完全靠蒸發(fā)器的熱負(fù)荷 Q 1  來提供。因此可以把 Q 2 / Q 1 看作是預(yù)冷器的“冷量利用率”, 不可能大于 1 , 即 Q 2 /

Q 2(在數(shù)值上與熱流體降溫所需的冷量、或冷流體升溫所需的熱量相等)  完全靠蒸發(fā)器的熱負(fù)荷 Q 1 來提供。因此可以把 Q 2 / Q 1 看作是預(yù)冷器的“冷量利用率”, 顯然“冷量利用率”不可能大于 1 , 即 Q 2 /Q 1 ≤1 。

從表 1 中可以看出 , t″1 取得越高 , 冷干機(jī)的排氣溫度 t″2越低 , 預(yù)冷器的“冷量利用率”Q 2 / Q 1 也越小;  隨著 t″1 設(shè)計取值下降 ,  冷干機(jī)的排氣溫度t″2逐漸上升 , “冷量利用率” Q 2/ Q 1 也跟著上升。值得注意的是當(dāng) t″2 達(dá)到 28 ℃時 , Q 2 / Q 1 已近100 %。此時預(yù)冷器中熱流體的終溫 , 即進(jìn)入蒸發(fā)器的濕熱氣流溫度 t″1只有 24 ℃, 這在順流換熱器中是無法實現(xiàn)的。因為依據(jù)傳熱學(xué)原理 , 在順向?qū)α鳠峤粨Q器中冷流體的終溫是不可能高于熱流體的終溫的。對中、小型冷干機(jī)來講 , 往往為了使結(jié)構(gòu)緊湊 , 在安排預(yù)冷器的熱交換流向時多采用如圖 1 所示的順向(即順叉)對流方式。此種情況下冷干機(jī)理想的 t″1取值應(yīng)是 26 ℃。此時冷干機(jī)排氣溫度應(yīng)在 25 ℃左右 ,冷量利用率 Q 2 / Q 1 約為 77 %。

在對流換熱中 , 逆向?qū)α鞯膿Q熱量要比順向?qū)α鲹Q熱強(qiáng)。從理論上講 , 逆向換熱的冷流體終溫可以小于、等于甚至大于熱流體的終溫。因此在大、中型冷干機(jī)中 , 預(yù)冷器以逆流換熱為主 (如圖 3) 。但由于受到“冷量利用率”不能超過 100 %的限制 , 冷干機(jī)的排氣溫度即使在逆流換熱時也不可能提得很高。譬如在上述條件下 ,  冷干機(jī)排氣溫度就以 28 ℃為極限 ,超過它“冷量利用率”就大于 1 了 , 這當(dāng)然是不可能的。

(一種逆 - 叉流換熱的預(yù)冷器)

采用逆向?qū)α骺梢杂邢尢岣呃涓蓹C(jī)的排氣溫度 ,其意義不僅在于可以比較充分地利用本機(jī)制冷量 ,  而且還可使預(yù)冷器換熱面積得以減小。

根據(jù)換熱器負(fù)荷方程 Q  =  U At m , 在熱負(fù)荷 Q及換熱系數(shù) U 一定條件下, 換熱面積 A 與換熱器平均傳熱溫差 t m 成反比,   t m 越大, 換熱面積 A 將越小。在對流換熱器中, 平均傳熱溫差 t m 與冷、熱流體的

流動方向有關(guān) ,  對順流、逆流換熱器一般都用對數(shù)平均溫差來表示傳熱平均溫差 , 這在各種文獻(xiàn)中都有介紹。本文采用當(dāng)前在溴化鋰吸收式制冷機(jī)傳熱計算中較常用的沙柯洛夫簡化公式來計算冷干機(jī)預(yù)冷器在不同冷、熱流終溫下的預(yù)冷器平均傳熱溫差。

表 3 列出在初始條件與表 1 相同情況下 , 根據(jù)沙柯洛夫公式計算出的對應(yīng)于不同的 t″1, 預(yù)冷器在順流、逆流及叉流換熱時的平均傳熱溫差 t m 。

從表 3 看出在相同的進(jìn)氣條件下 ,  預(yù)冷器采用逆流換熱時可以得到最高的平均換熱溫差。這意味在熱負(fù)荷相等時 ,  它的換熱面積將最小。這對冷干機(jī)整機(jī)設(shè)計十分有利。所以 ,  若條件許可 ,  冷干機(jī)預(yù)冷器應(yīng)盡量采用逆流換熱方式。

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